4.4 光纤传感器
光纤传感优点,
灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性,
可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传
感各种不同物理信息 （ 声, 磁, 温度, 旋转等 ）
的器件；可以用于高压, 电气噪声, 高温, 腐
蚀, 或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测
技术的内在相容性 。
光纤传感器 (FOS Fiber Optical Sensor) 用光作
为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的
媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
光纤传感器可测量位移, 速度, 加速度, 液位,
应变, 压力, 流量, 振动, 温度, 电流, 电压,
磁场等物理量
4.4 光纤传感器
4.4.1 光导纤维的结构和导光原理
4.4.2 光导纤维的主要参数
4.4.3 光纤传感器结构原理
4.4.4 光纤传感器的分类
4.4.5 光纤传感器的特点
4.4.6 光纤传感器的应用
4.4.1 光导纤维的结构和导光原理
? 圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略
大于包层的折射率
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斯乃尔定理
? 光线在两种不同介质的分界面上会产生折射现象。
折射定律,
ri nn ?? s i ns i n 21 ?
其中 n1和 n2为折射率,θ i
,θr为入射角和 折 射角。
当光由光密物质出射至光疏物质时，在一定条件下会发生
全反射 。（这时折射定律不再成立,只有全反射。）
（ a）折射角大于入射角,
（ b）临界状态,
（ c）全反射,
ri nn ?? s ins in 21 ?
)/a r c s in ( 120 nni ??
0ii ?? ?
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光纤导光 (光纤直径 >>光的波长）
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n0为入射光线 AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n0≈1
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2
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2
2
10s i n nni ???
当 θr =90° 的临界状态时,
Sin θi定义为“数值孔径” NA（ Numerical Aperture）
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0
ni?
121 /)( nnn ???
相对折射率差
arcsinNA是一个临界角,
θi > arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θi < arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。 θ k大,
故而将无损地通过光纤纤芯传播。直到端面。
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4.4.2 光导纤维的主要参数
? 1,数值孔径 （ NA）
? 2,光纤模式
? 3,传播损耗
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1,数值孔径（ NA）
? 反映纤芯接收光量的多少, 标志光纤接收性能 。
? 意义,无论光源发射功率有多大, 只有 2θi张角
之内的光功率能被光纤接受传播 。
大的数值孔径：有利于耦合效率的提高 。
但数值孔径太大, 光信号畸变也越严重 。
2
2
2
1s i n nnNA i ??? ?
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2,光纤模式
? 光波沿光导纤维传播的途径和方式
在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不
利的, 导致合成信号的畸变, 因此我们希望模
式数量越少越好 。
阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为
。?? /)( 2
1
2
2
2
1 nndV ??
希望 V小,d不能太大,n2与 n1之差很小
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3,传播损耗
? 损耗原因,光纤纤芯材料的吸收、散射，
光纤弯曲处的辐射损耗等的影响
I
IalA 0lg10 ???
传播损耗（单位为 dB）
式中,I—— 光纤长度；
a—— 单位长度的衰减；
I0—— 光导纤维输入端光强；
I—— 光导纤维输出端光强。
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4.4.3 光纤传感器结构原理
? 把被测量的状态转变为可测的光信号的装置
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光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器,
使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。
光纤传感器光学测量的基本原理
? 光就是一种电磁波,
光的电矢量 E
)s i n ( ?? ?? tBE
被测量调制,
光的强度、偏振态（矢量 B的方向）、频率和相位
解调,
光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制
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4.4.4 光纤传感器的分类
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传感器
光学现象
被测量
光纤
分类
干
涉
型
光纤传感器相位调制
干涉 （ 磁致伸缩 ）
干涉 （ 电致伸缩 ）
Sagnac效应
光弹效应
干涉
电流, 磁场
电场, 电压
角速度
振动, 压力, 加速度, 位移
温度
SM,PM
SM,PM
SM,PM
SM,PM
SM,PM
a
a
a
a
a
非
干
涉
型
光纤传感器强度调制
遮光板断光路
半导体透射率的变化
荧光辐射, 黑体辐射
光纤微弯损耗
振动膜或液晶的反射
气体分子吸收
光纤漏泄模
温度, 振动, 压力, 加速度, 位移
温度
温度
振动, 压力, 加速度, 位移
振动, 压力, 位移
气体浓度
液位
MM
MM
MM
SM
MM
MM
MM
b
b
b
b
b
b
b
光纤传感器偏振调制
法拉第效应
泡克尔斯效应
双折射变化
光弹效应
电流, 磁场
电场, 电压
温度
振动, 压力, 加速度, 位移
SM
MM
SM
MM
b,a
b
b
b
光纤传感器频率调制
多普勒效应
受激喇曼散射
光致发光
速度, 流速, 振动, 加速度
气体浓度
温度
MM
MM
MM
C
b
b
注,MM—— 多模光纤； SM—— 单模光纤； PM—— 偏振保持光纤
光纤传感器的分类
? 光纤在传感器中的作用
? 光受被测量调制的形式
? 光纤传感器中对光信号的检测方法不同
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(1) 光纤在传感器中的作用
功能型
非功能型
拾光型
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(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器
? 光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是
敏感元件，光在光纤内受被测量调制。
优点,结构紧凑、灵敏度高。
缺点,须用特殊光纤，成本高,
典型例子,光纤陀螺、光纤水听器等。
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(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器
? 光纤在其中仅起导光作用, 光照在光纤型敏感
元件上受被测量调制 。
优点,无需特殊光纤及其他特殊技术,
比较容易实现, 成本低 。
缺点,灵敏度较低 。
实用化的大都是非功能型的光纤传感器 。
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(c) 拾光型光纤传感器
用光纤作为探头, 接收由被测对象辐射的
光或被其反射, 散射的光 。
典型例子,
光纤激光多普勒速度计
辐射式光纤温度传感器
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(2) 根据光受被测对象的调制形式
(a) 强度调制型光纤传感器
(b) 偏振调制光纤传感器
(c) 频率调制光纤传感器
(d) 相位调制传感器
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(a)强度调制型光纤传感器
利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化, 而
导致光强度变化来实现敏感测量的传感器 。
应用,压力, 振动, 位移, 气体
优点, 结构简单, 容易实现, 成本低 。
缺点, 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
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（ b）偏振调制光纤传感器
? 利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息
? 应用,
电流, 磁场传感器：法拉第效应；
电场, 电压传感器：泡尔效应；
压力, 振动或声传感器：光弹效应；
温度, 压力, 振动传感器：双折射性
? 优点,可避免光源强度变化的影响, 灵敏度高 。
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（ c）频率调制光纤传感器
? 被测对象引起的光频率的变化来进行监测
? 利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的
光纤速度, 流速, 振动, 压力, 加速度传感器；
利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量
气体浓度或监测大气污染的气体传感器；
利用光致发光的温度传感器等 。
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（ d）相位调制传感器
被测对象导致光的相位变化, 然后用干涉仪来检测这
种相位变化而得到被测对象的信息 。
利用光弹效应的声, 压力或振动传感器；
利用磁致伸缩效应的电流, 磁场传感器；
利用电致伸缩的电场, 电压传感器
利用 Sagnac效应的旋转角速度传感器 （ 光纤陀螺 ）
优点,灵敏度很高,
缺点,特殊光纤及高精度检测系统, 成本高 。
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4.4.5 光纤传感器的特点
（ 1） 电绝缘 。
（ 2） 抗电磁干扰 。
（ 3） 非侵入性 。
（ 4） 高灵敏度 。
（ 5） 容易实现对被测信号的远距离监控 。
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4.4.6 光纤传感器的应用
强度调制型,
基于弹性元件受压变形, 将压力信号转换成位
移信号来检测, 故常用于位移的光纤检测技术；
相位调制型,
利用光纤本身作为敏感元件；
偏振调制型,
主要是利用晶体的光弹性效应 。
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光
纤
压
力
传
感
器
（ 1）采用弹性元件的光纤压力传感器
膜片反射式光纤压力传感器示意图
膜片的中心挠度
3
42
16
)1(3
Et
Ry ???
若利用 Y形光纤束位移特性的线性区,
则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系
。
1 Y形光纤
2 壳体
3 膜片
与所加的压力呈线性关系
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传感器的固有频率可表示为
p
gE
R
t
f r
)1(3
56.2
22 ??? ?
?
式中,ρ―― 膜片材料的密度；
g―― 重力加速度。
结构简单、体积小、使用方便,
光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降,
其精度就要受到影响。
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差动式膜片反射型光纤压力传感器
1．输出光纤 2．输入光纤 3．输出光纤 4．胶 5．膜片
Ap
Ap
I
I
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1
1
1
2
两束输出光的光强之比 A― 常数；
p― 待测量压力
输出光强比 I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关
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将上式两边取对数，在满足 (Ap)2≤1时，得到
A
p
I
I
2
ln
1
2 ?
表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。
若将 I1,I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器
即可得到线性的输出。
采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。
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（ b）光弹性式光纤压力传感器
? 光弹性效应,晶体在受压后其折射率发生变化，
从而呈现双折射现象。
1 光源 2,8 起偏器 3,9 1/4波长板 4,10 光弹性元件
5,11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜
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光弹性式光纤压力传感器 2
在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度
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（ c）微弯式光纤压力传感
? 基于光纤的 微弯效应,即由压力引起变形器产
生位移，使光纤弯曲而调制光强度。
1 聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板 3 固定变形板 4,5 光纤
微
弯
式
光
纤
水
听
器
探
头
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激光器
光检测器
光纤传感优点,
灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性,
可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传
感各种不同物理信息 （ 声, 磁, 温度, 旋转等 ）
的器件；可以用于高压, 电气噪声, 高温, 腐
蚀, 或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测
技术的内在相容性 。
光纤传感器 (FOS Fiber Optical Sensor) 用光作
为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的
媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
光纤传感器可测量位移, 速度, 加速度, 液位,
应变, 压力, 流量, 振动, 温度, 电流, 电压,
磁场等物理量
4.4 光纤传感器
4.4.1 光导纤维的结构和导光原理
4.4.2 光导纤维的主要参数
4.4.3 光纤传感器结构原理
4.4.4 光纤传感器的分类
4.4.5 光纤传感器的特点
4.4.6 光纤传感器的应用
4.4.1 光导纤维的结构和导光原理
? 圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略
大于包层的折射率
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斯乃尔定理
? 光线在两种不同介质的分界面上会产生折射现象。
折射定律,
ri nn ?? s i ns i n 21 ?
其中 n1和 n2为折射率,θ i
,θr为入射角和 折 射角。
当光由光密物质出射至光疏物质时，在一定条件下会发生
全反射 。（这时折射定律不再成立,只有全反射。）
（ a）折射角大于入射角,
（ b）临界状态,
（ c）全反射,
ri nn ?? s ins in 21 ?
)/a r c s in ( 120 nni ??
0ii ?? ?
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光纤导光 (光纤直径 >>光的波长）
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n0为入射光线 AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n0≈1
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2
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当 θr =90° 的临界状态时,
Sin θi定义为“数值孔径” NA（ Numerical Aperture）
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相对折射率差
arcsinNA是一个临界角,
θi > arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
θi < arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。 θ k大,
故而将无损地通过光纤纤芯传播。直到端面。
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4.4.2 光导纤维的主要参数
? 1,数值孔径 （ NA）
? 2,光纤模式
? 3,传播损耗
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1,数值孔径（ NA）
? 反映纤芯接收光量的多少, 标志光纤接收性能 。
? 意义,无论光源发射功率有多大, 只有 2θi张角
之内的光功率能被光纤接受传播 。
大的数值孔径：有利于耦合效率的提高 。
但数值孔径太大, 光信号畸变也越严重 。
2
2
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2,光纤模式
? 光波沿光导纤维传播的途径和方式
在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不
利的, 导致合成信号的畸变, 因此我们希望模
式数量越少越好 。
阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为
。?? /)( 2
1
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2
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1 nndV ??
希望 V小,d不能太大,n2与 n1之差很小
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3,传播损耗
? 损耗原因,光纤纤芯材料的吸收、散射，
光纤弯曲处的辐射损耗等的影响
I
IalA 0lg10 ???
传播损耗（单位为 dB）
式中,I—— 光纤长度；
a—— 单位长度的衰减；
I0—— 光导纤维输入端光强；
I—— 光导纤维输出端光强。
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4.4.3 光纤传感器结构原理
? 把被测量的状态转变为可测的光信号的装置
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光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器,
使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。
光纤传感器光学测量的基本原理
? 光就是一种电磁波,
光的电矢量 E
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被测量调制,
光的强度、偏振态（矢量 B的方向）、频率和相位
解调,
光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制
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4.4.4 光纤传感器的分类
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传感器
光学现象
被测量
光纤
分类
干
涉
型
光纤传感器相位调制
干涉 （ 磁致伸缩 ）
干涉 （ 电致伸缩 ）
Sagnac效应
光弹效应
干涉
电流, 磁场
电场, 电压
角速度
振动, 压力, 加速度, 位移
温度
SM,PM
SM,PM
SM,PM
SM,PM
SM,PM
a
a
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非
干
涉
型
光纤传感器强度调制
遮光板断光路
半导体透射率的变化
荧光辐射, 黑体辐射
光纤微弯损耗
振动膜或液晶的反射
气体分子吸收
光纤漏泄模
温度, 振动, 压力, 加速度, 位移
温度
温度
振动, 压力, 加速度, 位移
振动, 压力, 位移
气体浓度
液位
MM
MM
MM
SM
MM
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MM
b
b
b
b
b
b
b
光纤传感器偏振调制
法拉第效应
泡克尔斯效应
双折射变化
光弹效应
电流, 磁场
电场, 电压
温度
振动, 压力, 加速度, 位移
SM
MM
SM
MM
b,a
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b
b
光纤传感器频率调制
多普勒效应
受激喇曼散射
光致发光
速度, 流速, 振动, 加速度
气体浓度
温度
MM
MM
MM
C
b
b
注,MM—— 多模光纤； SM—— 单模光纤； PM—— 偏振保持光纤
光纤传感器的分类
? 光纤在传感器中的作用
? 光受被测量调制的形式
? 光纤传感器中对光信号的检测方法不同
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(1) 光纤在传感器中的作用
功能型
非功能型
拾光型
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(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器
? 光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是
敏感元件，光在光纤内受被测量调制。
优点,结构紧凑、灵敏度高。
缺点,须用特殊光纤，成本高,
典型例子,光纤陀螺、光纤水听器等。
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(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器
? 光纤在其中仅起导光作用, 光照在光纤型敏感
元件上受被测量调制 。
优点,无需特殊光纤及其他特殊技术,
比较容易实现, 成本低 。
缺点,灵敏度较低 。
实用化的大都是非功能型的光纤传感器 。
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(c) 拾光型光纤传感器
用光纤作为探头, 接收由被测对象辐射的
光或被其反射, 散射的光 。
典型例子,
光纤激光多普勒速度计
辐射式光纤温度传感器
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(2) 根据光受被测对象的调制形式
(a) 强度调制型光纤传感器
(b) 偏振调制光纤传感器
(c) 频率调制光纤传感器
(d) 相位调制传感器
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(a)强度调制型光纤传感器
利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化, 而
导致光强度变化来实现敏感测量的传感器 。
应用,压力, 振动, 位移, 气体
优点, 结构简单, 容易实现, 成本低 。
缺点, 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
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（ b）偏振调制光纤传感器
? 利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息
? 应用,
电流, 磁场传感器：法拉第效应；
电场, 电压传感器：泡尔效应；
压力, 振动或声传感器：光弹效应；
温度, 压力, 振动传感器：双折射性
? 优点,可避免光源强度变化的影响, 灵敏度高 。
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（ c）频率调制光纤传感器
? 被测对象引起的光频率的变化来进行监测
? 利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的
光纤速度, 流速, 振动, 压力, 加速度传感器；
利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量
气体浓度或监测大气污染的气体传感器；
利用光致发光的温度传感器等 。
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（ d）相位调制传感器
被测对象导致光的相位变化, 然后用干涉仪来检测这
种相位变化而得到被测对象的信息 。
利用光弹效应的声, 压力或振动传感器；
利用磁致伸缩效应的电流, 磁场传感器；
利用电致伸缩的电场, 电压传感器
利用 Sagnac效应的旋转角速度传感器 （ 光纤陀螺 ）
优点,灵敏度很高,
缺点,特殊光纤及高精度检测系统, 成本高 。
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4.4.5 光纤传感器的特点
（ 1） 电绝缘 。
（ 2） 抗电磁干扰 。
（ 3） 非侵入性 。
（ 4） 高灵敏度 。
（ 5） 容易实现对被测信号的远距离监控 。
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4.4.6 光纤传感器的应用
强度调制型,
基于弹性元件受压变形, 将压力信号转换成位
移信号来检测, 故常用于位移的光纤检测技术；
相位调制型,
利用光纤本身作为敏感元件；
偏振调制型,
主要是利用晶体的光弹性效应 。
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光
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感
器
（ 1）采用弹性元件的光纤压力传感器
膜片反射式光纤压力传感器示意图
膜片的中心挠度
3
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16
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若利用 Y形光纤束位移特性的线性区,
则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系
。
1 Y形光纤
2 壳体
3 膜片
与所加的压力呈线性关系
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传感器的固有频率可表示为
p
gE
R
t
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)1(3
56.2
22 ??? ?
?
式中,ρ―― 膜片材料的密度；
g―― 重力加速度。
结构简单、体积小、使用方便,
光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降,
其精度就要受到影响。
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差动式膜片反射型光纤压力传感器
1．输出光纤 2．输入光纤 3．输出光纤 4．胶 5．膜片
Ap
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I
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??
1
1
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2
两束输出光的光强之比 A― 常数；
p― 待测量压力
输出光强比 I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关
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将上式两边取对数，在满足 (Ap)2≤1时，得到
A
p
I
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2
ln
1
2 ?
表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。
若将 I1,I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器
即可得到线性的输出。
采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。
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（ b）光弹性式光纤压力传感器
? 光弹性效应,晶体在受压后其折射率发生变化，
从而呈现双折射现象。
1 光源 2,8 起偏器 3,9 1/4波长板 4,10 光弹性元件
5,11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜
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光弹性式光纤压力传感器 2
在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度
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（ c）微弯式光纤压力传感
? 基于光纤的 微弯效应,即由压力引起变形器产
生位移，使光纤弯曲而调制光强度。
1 聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板 3 固定变形板 4,5 光纤
微
弯
式
光
纤
水
听
器
探
头
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激光器
光检测器
